de.wedoany.com-Bericht: Einem Forschungsteam unter der Leitung von Professor Seung Jun Hwang vom Fachbereich Chemie am Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) ist die Entwicklung eines neuen molekularen Systems gelungen, das den Elektronentransferpfad bei der Sauerstoffaktivierung selektiv umschalten kann. Dies verspricht, grundlegende Designprinzipien für die nächste Generation von Katalysatoren und Energiewandlungstechnologien bereitzustellen.
Durch die Kombination von Germanium mit einem molekularen Gerüst, das Elektronen speichern und übertragen kann, etablierte das Team ein Designprinzip, das die Sauerstoffaktivierung selektiv zwischen Zwei-Elektronen- und Vier-Elektronen-Pfaden umschalten kann. Herkömmlicherweise werden Katalysatoren zur Steuerung von Sauerstoffreaktionen hauptsächlich um Übergangsmetallzentren wie Eisen, Kobalt und Nickel herum entwickelt; Germanium, ein Hauptgruppenelement, das im Periodensystem in derselben Hauptgruppe wie Silicium steht, galt bisher als ungeeignet für Reaktionen, die die koordinierte Übertragung mehrerer Elektronen erfordern. Um diese Einschränkung zu überwinden, kombinierten die Forscher Germanium mit einem redoxaktiven Liganden, der als Elektronenspeicher fungiert und synergistisch mit dem Germaniumzentrum zusammenwirkt, sodass die gesamte Molekülstruktur an Mehr-Elektronen-Reaktionen teilnehmen kann.
Bei der Sauerstoffreaktion hängen die Produkte und Ergebnisse davon ab, ob zwei oder vier Elektronen übertragen werden. Die Zwei-Elektronen-Reduktion von Sauerstoff erzeugt Wasserstoffperoxid, die Vier-Elektronen-Reduktion erzeugt Wasser; die selektive Steuerung dieser Pfade ist eine wichtige Herausforderung für die Entwicklung von Batterien, Brennstoffzellen und umweltfreundlicheren chemischen Katalysatoren. Diese Studie zeigt ein seltenes Beispiel eines molekularen Hauptgruppensystems, das innerhalb desselben molekularen Gerüsts selektiv sowohl Zwei-Elektronen- als auch Vier-Elektronen-Reaktivität ermöglicht, und erweitert so die Bandbreite der Elemente, die bei der Katalysatordesign in Betracht gezogen werden können.
Dem Forschungsteam gelang die erfolgreiche Isolierung und Analyse einer Germaniumverbindung, die die Zwei-Elektronen-Reaktionsstufe repräsentiert, indem es die Verbindung durch Anbinden einer Methylgruppe an den Germaniumkomplex stabilisierte. Das Germaniumatom in dieser Verbindung kann sowohl Elektronen abgeben als auch aufnehmen, was wichtige Hinweise für die systemische Steuerung verschiedener Reaktionspfade liefert. Das Team bestätigte zudem das praktische Potenzial des neuen Systems unter milden, lichtfreien Bedingungen: Der Germaniumkomplex entfernte Halogenatome wie Brom und Chlor aus organischen Verbindungen und regenerierte Alkene (organische Verbindungen mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen), die als Ausgangsstoffe für chemische Produkte wie Arzneimittel und Kunststoffe weit verbreitet sind. Professor Seung Jun Hwang erklärte, dass diese Erkenntnisse die Entwicklung der nächsten Generation von Katalysatoren für die Energiewandlung vorantreiben und zu selektiveren und effizienteren chemischen Prozessen beitragen werden.
Die Studie wurde gemeinsam von den Postdoktoranden Sung Gyu Kim und Jinrok Oh vom Fachbereich Chemie des KAIST sowie dem Doktoranden Dae Eui Choi (integrierter Master-PhD-Studiengang) vom Fachbereich Chemie der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) durchgeführt. Die Ergebnisse wurden am 6. Juli online in der internationalen Fachzeitschrift „Chem“ veröffentlicht. Der Titel der Arbeit lautet „Germanium-Ligand-Redox-Synergie: Schlüssel zu Amphiphilie und schaltbarem Zwei-Elektronen- und Vier-Elektronen-Transfer“ (DOI: 10.1016/j.chempr.2026.103127).
